超聲圖像引導(dǎo)的膀胱超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)研究

朱海煜 白景峰 楊聰

摘 要： 為解決超聲檢查中的醫(yī)師職業(yè)病、過于依賴醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)、對(duì)傳染疾病的隔離等問題，提出一種超聲圖像引導(dǎo)的膀胱超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)，該技術(shù)可根據(jù)超聲圖像判斷超聲探頭位置，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描。本研究搭建了各自動(dòng)掃描系統(tǒng)各個(gè)模塊，并針對(duì)超聲圖像引導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)通過OK-MC10A圖像采集卡從B超診斷儀Mylab 90上取得實(shí)時(shí)醫(yī)學(xué)圖像，經(jīng)過濾波、二值化等預(yù)處理后，使用連通域標(biāo)記、K均值聚類等算法對(duì)其進(jìn)行圖像分割，實(shí)時(shí)確定膀胱區(qū)域質(zhì)心坐標(biāo)，并以此判斷超聲探頭位置。人體實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以在超聲掃描過程中實(shí)時(shí)識(shí)別膀胱圖像，并測量出準(zhǔn)確的膀胱直徑。

關(guān)鍵詞： 超聲掃描;圖像采集;圖像分割

中圖分類號(hào)： TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1007-757X（2019）06-0014-03

Abstract： In order to solve the problems of thatdoctors occupational diseases， the doctor over-reliance relies on doctors' his/her experience and isolation ofes infectious diseases in ultrasonic examination， an ultrasonic automatic scanning system of bladder guided by ultrasonic image was is proposed. This technology system can judge the position of ultrasonic probe according to the ultrasonic image and realize automatic scanning. In this study， the automatic scanning system modules were are built and the experiment was is conducted on the ultrasonic image guidance technology. The system obtains real-time medical images from Mylab 90， a b-mode ultrasonic diagnostic instrument， through OK-MC10A image acquisition card. After preprocessing such as filtering and binarization， the system USEuseSs connected domain markers， k-means clustering and other algorithms to segment the images and determine the centroid coordinates of the bladder region in real time， so as to determine the position of the ultrasonic probe. Human experiments show that the system can recognize the bladder image in real time and measure the bladder diameter accurately.

Key words： Ultrasonic scanning; Image acquisition; Image segmentation

0?引言

由于超聲掃描所具有的安全、無創(chuàng)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，醫(yī)生們常常使用該技術(shù)獲取體內(nèi)器官的實(shí)時(shí)影像，并進(jìn)行診斷。通常來說，每位醫(yī)生同時(shí)只能對(duì)一名患者進(jìn)行超聲檢查操作，由于醫(yī)師數(shù)目有限且檢查需求量大，因此，超聲醫(yī)師往往面臨著較高的工作壓力。掃描過程中皮膚接觸不可避免，醫(yī)師容易暴露于未知的病菌環(huán)境中。同時(shí)，傳統(tǒng)的B超掃描方法，對(duì)醫(yī)生的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)依賴性過大，往往需要較多時(shí)間來積累，導(dǎo)致檢查效果參差不齊。因此，需要尋找一種機(jī)器人輔助超聲掃描的超聲檢查手段，減少超聲檢查中醫(yī)師的比重。

1999年，Pieroot等首次將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于超聲自動(dòng)掃描，開啟了機(jī)器人輔助超聲掃描手段的先河[1]。2002年，Abolmaesumi團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人輔助超聲診斷系統(tǒng)里，加入視覺伺服手段，完成了遠(yuǎn)程超聲掃查[2]。除遠(yuǎn)程超聲掃查外，機(jī)器人輔助超聲穿刺的相關(guān)研究也比比皆是。2004年，Hong團(tuán)隊(duì)在實(shí)時(shí)經(jīng)皮膽囊造口術(shù)中應(yīng)用該技術(shù)，并且做到跟隨患者呼吸過程中的器官位移，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)穿刺路徑[3]。為了進(jìn)一步降低超聲掃查對(duì)醫(yī)師的依賴性，自動(dòng)超聲掃描技術(shù)逐漸受到研究者的重視。2013年，Ammar等通過攝像頭獲取胸腹部圖像，經(jīng)過圖像處理規(guī)劃掃描路徑，使用機(jī)械臂對(duì)肝臟進(jìn)行掃描，并做到呼吸跟蹤[4]。2018年，張娟等通過Kinect相機(jī)實(shí)時(shí)獲取掃描系統(tǒng)的深度圖像，對(duì)其分析處理規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑，引導(dǎo)機(jī)械臂持探頭完成采集過程[5]。

目前，自動(dòng)超聲掃描系統(tǒng)均以體外圖像引導(dǎo)掃描為主，然而，在掃描某些無明顯體表特征的器官時(shí)，該方式將面臨局限。因此，針對(duì)腹部超聲中常見的膀胱超聲掃描場景，需要提出一種由超聲圖像引導(dǎo)的自動(dòng)超聲掃描系統(tǒng)。本文介紹了搭建該系統(tǒng)所需的部分模塊。首先是圖像采集模塊，用于從B型超聲診斷儀中實(shí)時(shí)采集超聲圖像，并顯示到屏幕窗口中;其次是圖像處理模塊，對(duì)超聲圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以獲得膀胱的形狀信息和探頭的位置信息;最后是運(yùn)動(dòng)控制模塊，夾持探頭完成掃描，圖1為系統(tǒng)框架。

1?圖像采集模塊

常見的超聲圖像采集方法主要有兩種，DICOM3.0接口和圖像采集卡。由于各影像設(shè)備公司出于商業(yè)機(jī)密的考慮[6]，常常不完全遵守DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)，且部分使用期限較長的超聲診斷儀不支持DICOM協(xié)議，為了保證本系統(tǒng)的兼容性和簡便性，本文采用圖像采集卡方式獲取B超診斷儀的圖像信息。

本圖像采集模塊由B型超聲診斷儀、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。B型超聲診斷儀選用的是Esaote公司的Mylab 90型超聲診斷系統(tǒng)，該診斷儀可以配備線陣探頭和凸陣探頭。圖像采集卡選用的是北京嘉恒圖像公司的OK-MC10A采集卡，該采集卡基于PCI總線，支持VGA＼S-video等視頻接口。

嘉恒圖像提供了OK系列采集卡在Windows系統(tǒng)下C++、VB的開發(fā)庫，故本系統(tǒng)利用VC++語言編寫驅(qū)動(dòng)程序，以QT為軟件開發(fā)平臺(tái)，利用QT庫函數(shù)在可視化方面的優(yōu)勢，配合OK系列圖像采集卡提供的開發(fā)函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的圖形采集處理系統(tǒng)。

圖像采集卡的工作流程大致可分為：初始化（參數(shù)設(shè)置）、采集圖像到目標(biāo)體、調(diào)用回調(diào)函數(shù)、結(jié)束采集。如圖2所示。

2?圖像處理模塊

超聲從探頭發(fā)出后，從體表到組織深部將經(jīng)過聲阻抗不等、衰減性不一的不同器官和組織，從而產(chǎn)生不同的反射與衰減。超聲診斷儀接收到超聲回波后，將回波的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為像素的灰度，顯示到屏幕上，從而產(chǎn)生了人體的斷面圖像，即聲像圖。膀胱為內(nèi)部充滿尿液的器官，故膀胱邊界處由于尿液與膀胱壁的聲阻抗不等，產(chǎn)生較大的反射回波，內(nèi)部為聲阻抗均勻的尿液，無明顯回波，故本系統(tǒng)模塊基于膀胱聲像圖的特征進(jìn)行分割。本模塊主要分為預(yù)處理部分和圖像分割部分。

2.1?圖像的預(yù)處理

由于人體組織的復(fù)雜性，超聲在人體內(nèi)傳播時(shí)，除了反射、透射外，還會(huì)出現(xiàn)衍射、散射和折射現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的回波相互疊加作用，導(dǎo)致超聲圖像出現(xiàn)斑點(diǎn)噪聲、圖像偽影、圖像對(duì)比度降低等缺點(diǎn)。需要對(duì)圖像先進(jìn)行平滑化（濾波）處理，以在盡量保留圖像特征的條件下，抑制目標(biāo)圖像的噪聲。中值濾波方法可去除孤點(diǎn)噪聲，且實(shí)現(xiàn)難度低，在超聲圖像的去噪工作中被廣泛應(yīng)用。

中值濾波是在一個(gè)N*N的矩陣中，對(duì)矩陣中的N2個(gè)像素點(diǎn)的灰度進(jìn)行排序，取得其中的中值，并將矩陣中心的像素點(diǎn)灰度賦值為該中值，如式（1）。

其中，G（x，y）代表超聲圖像中坐標(biāo)（x，y）處像素點(diǎn)的灰度值，Zxy代表中心點(diǎn)為（x0，y0）的N*N的矩陣（過濾窗口）。如圖3所示。

膀胱內(nèi)部存在較為明顯的液性暗區(qū)，中央的灰度接近0，與視野中的組織灰度有較大差異，下側(cè)及左右邊界的兩側(cè)灰度變化劇烈，可以通過二值化處理方便地將膀胱與其余區(qū)域區(qū)別開來。

二值化處理如下式。

其中，G（x，y）代表坐標(biāo)（x，y）處的灰度值，k代表二值化處理中的閾值，高于閾值的灰度被賦值為1，低于閾值的灰度被賦值為0。常見的閾值選取方法有自取值法，otsu法，迭代法，P分值法等等，需要根據(jù)圖像處理效果來進(jìn)行選取。由于超聲圖像為扇形區(qū)域，有效區(qū)外均為黑色背景，基于全圖的閾值選取方法均會(huì)產(chǎn)生較大誤差，不能準(zhǔn)確地找出超聲圖像有效區(qū)地閾值，所以本文采用自取值的辦法，觀察到膀胱內(nèi)部的灰度值往往低于20，在保存膀胱邊界信息的條件下，進(jìn)行多次嘗試，采取了k=15作為最終的閾值，并進(jìn)行二值化處理，如圖4所示。

2.2?膀胱區(qū)域的分割

在二值化處理后，可以看出，膀胱區(qū)域與背景部分已然分割開來，對(duì)比圖3，膀胱下側(cè)邊界和左右兩側(cè)邊界與二值化圖像中的邊界均較為擬合，但上半部分的邊界則相差較多。本文通過在二值化圖像中尋找連通域的辦法，分割膀胱的兩側(cè)及下側(cè)邊界。連通區(qū)域的標(biāo)記算法有很多，有的需要一次遍歷圖像完成標(biāo)記，有的則需要2次甚至更多，本文選用satoshi suzuki研究的算法，僅需遍歷一次圖像，該算法包含在OPENCV函數(shù)庫中，通過調(diào)用函數(shù)connectedComponentsWithStats完成連通域的標(biāo)記。

由于超聲偽影的問題，膀胱區(qū)域上側(cè)邊界的內(nèi)部被灰色偽影所污染，導(dǎo)致該處邊界不清晰，不易通過二值化分割。因此，本文采用局部區(qū)域的K均值聚類算法，對(duì)該處邊界進(jìn)行精細(xì)化分割，保證分割質(zhì)量，隨后將分割完的區(qū)域合并到二值化圖像中，并進(jìn)行閉運(yùn)算連接邊界，完成整個(gè)膀胱的分割。K均值聚類算法的流程圖如圖5所示。

該算法的時(shí)間復(fù)雜度：O（I*n*k*m），空間復(fù)雜度：O（n*m），其中m為每個(gè)元素字段個(gè)數(shù)，n為數(shù)據(jù)量，I為迭代次數(shù)。一般I，k，m均可認(rèn)為是常量，所以時(shí)間和空間復(fù)雜度可以簡化為O（n），即線性。

3?運(yùn)動(dòng)控制模塊

本文采用三軸步進(jìn)控制系統(tǒng)帶動(dòng)超聲探頭在人體腹部上進(jìn)行掃描操作，該系統(tǒng)的核心部件為日本山洋電氣株式會(huì)社生產(chǎn)的閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)，該公司提供了相遇的驅(qū)動(dòng)及控制軟件SPBD2W-01，在PXI控制器上安裝好后即可對(duì)固定了超聲探頭的金屬桿進(jìn)行三維位置控制。

將PXI控制器與三軸步進(jìn)系統(tǒng)連接起來后打開驅(qū)動(dòng)軟件，設(shè)置波特率為38400 bps，選擇合適的COM口，即可進(jìn)入到軟件的操作界面。分別設(shè)置好各軸方向上的加速度、速度、相對(duì)位置偏移量（以角度為單位，每360°代表對(duì)應(yīng)軸向上前進(jìn)4mm），點(diǎn)擊SET按鈕和SEND按鈕即可傳遞運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)到三軸步進(jìn)系統(tǒng)，控制金屬桿移動(dòng)到目標(biāo)位置。

4?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文搭建膀胱超聲掃描系統(tǒng)如圖6所示。

由B超診斷儀、PC（圖像采集卡、圖像采集處理程序）、PXI控制器和三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成。

本研究采用人體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的掃描系統(tǒng)的可行性。在實(shí)驗(yàn)中，采用3種掃描速度（1.2 cm/s，1.5 cm/s，2.0 cm/s）分別對(duì)人體進(jìn)行橫切掃描，探頭由恥骨處的膀胱下沿出發(fā)，沿腹壁中軸線進(jìn)行直線掃描，終止于臍部，掃描中程序?qū)崟r(shí)采集、分割并輸出圖像分割結(jié)果及膀胱識(shí)別結(jié)果，完成掃描后對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。若連續(xù)5幀圖像中，分割區(qū)域的質(zhì)心位置穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，則認(rèn)為當(dāng)前探頭處于膀胱區(qū)域。圖像識(shí)別率為探頭位置識(shí)別正確的幀數(shù)占總幀數(shù)的比例，圖像識(shí)別率見表1所示。識(shí)別率穩(wěn)定在89%以上，證明本系統(tǒng)對(duì)探頭位置基本識(shí)別正確。直徑測量誤差率見表2所示。

其公式為p=afr*v-d/d，其中d=108 mm，為醫(yī)師手動(dòng)掃描獲得的直徑，a為探頭位置處于膀胱中的幀數(shù)，fr=3.78 f/s，為幀頻，v為掃描速度，可以看出誤差率與掃描速度呈正相關(guān)，掃描速度越快，則幀間隔距離延長，誤差增大。掃描速度不高于1.5 cm/s時(shí)，直徑誤差率處于5%以內(nèi)，精度符合要求。掃描速度為2 cm/s時(shí)，幀頻需提升至5.8 f/s，直徑誤差率方低于5%。當(dāng)前系統(tǒng)圖像識(shí)別率的主要限制點(diǎn)在于膀胱兩側(cè)邊界處識(shí)別率較低，且采集處理速度較慢，限制了直徑誤差率的降低。

5?總結(jié)

本研究搭建了膀胱超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)的圖像采集模塊、圖像處理模塊以及三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并進(jìn)行了整體實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了該技術(shù)的可能性，但還需要增加圖像模塊與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間的聯(lián)動(dòng)，通過圖像處理的邏輯判斷控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的掃描動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)完整的自動(dòng)掃描系統(tǒng)。并且，需要優(yōu)化圖像處理算法，改變算法參數(shù)，更換分割算法，以提升圖像分割效果，并且降低圖像處理的時(shí)間復(fù)雜度，進(jìn)一步地提高測量的精準(zhǔn)度;另外，還需要增加力反饋模塊，實(shí)時(shí)測量探頭與腹部之間的壓力，提升系統(tǒng)安全性。

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（收稿日期： 2019.05.15）